کاربردهای درایو فرکانس متغیر در سیستم های HVAC

کاربردهای درایو فرکانس متغیر در سیستم های HVAC

کاربردهای درایو فرکانس متغیر در سیستم های HVAC

●● خلاصه

 

سیستم های تهویه و تهویه مطبوع گرمایش ساختمان (HVAC) به گونه ای طراحی شده اند که در اوج بار کار کنند که این امر تنها در مدت زمان بسیار کوتاهی در طول سال اتفاق می افتد. یکی از مؤثرترین راه‌ها برای بهبود بهره‌وری انرژی ساختمان، استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) است. آنها به طور گسترده در زمینه HVAC از جمله فن ها، پمپ ها، کمپرسورها و غیره استفاده می شوند. در یک سیستم مجهز به ، VFD سرعت یک یا چند موتور بر اساس نیازهای بار سیستم و برنامه عملیاتی تنظیم میشود، که منجر به کاهش چشمگیر مصرف انرژی می شود.
این مقاله به طور سیستماتیک کاربرد VFD ها را در سیستم های HVAC از جمله سیستم های گرمایش، سیستم های تهویه، سیستم های سرمایش و تبرید معرفی می کند.
ابتدا اصول سیستم ها در ساختمان های تجاری و صنعتی  معرفی شده است. ابتدا برای VFD ها، فن های با سرعت متغیر، پمپ ها و کمپرسورها. سپس، برنامه کنترل VFD ها در هر نوع سیستم (تجهیزات) خلاصه شده است. در این بخش، نمودار شماتیک هر سیستم و همچنین استراتژی کنترل دقیق برای هر برنامه ارائه شده است.
علاوه بر این، کاربرد VFD در تشخیص و تشخیص عیب (FDD) معرفی شده است. در نهایت، برخی از مسائل و نگرانی های فنی با راه حل های بالقوه ارائه شده مورد بحث قرار می گیرد.

1. مقدمه

سیستم های موتور محرکه الکتریکی (EMDS) بزرگترین کاربران نهایی الکتریکی هستند و 43- 46 درصد کل مصرف برق جهانی [1] را تشکیل می دهند.
در ایالات متحده، موتور ها در  کاربردهای تهویه مطبوع و تبرید 91 درصد در بخش مسکونی و 93 درصد در بخش تجاری را مصرف می‌کنند [2]. کاهش مصرف انرژی غیر ضروری مستقیم ترین و موثرترین راه برای بهبود بهره وری انرژی ساختمان است. پیشرفت روزافزون فناوری الکترونیکی و کنترلی عملکرد درایوهای سرعت متغیر را تا حد زیادی بهبود می بخشد.
درایوهای فرکانس متغیر (VFD) در صنعت HVAC بیشتر و بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند برنامه های کاربردی. آنها می توانند سرعت موتور را به آرامی در محدوده وسیعی تعدیل کنند. کاهش سرعت موتور کاهش قابل توجهی در قدرت موتور ایجاد می کند.
به طور کلی می توان از VFD در کاربردهای مختلفی که بار متغیر است مانند فن ها، پمپ ها و کمپرسورها استفاده کرد.
صرفه جویی در انرژی برای فن ها و پمپ ها حدود 30 تا 50 درصد نسبت به کاربردهای سرعت معمولی و تا 35 درصد برای کمپرسورها است.
در بخش های بعدی، اصل کار VFD معرفی شده و کاربردهای آن در سیستم های HVAC ارائه می شود.
در نهایت، مسائل و نگرانی های فعلی در مورد VFD ها با راه حل های بالقوه ارائه شده مورد بحث قرار می گیرد.

2. اصول

2.1. VFD

VFD یک دستگاه الکتریکی است که برای کنترل سرعت چرخش یک موتور الکتریکی جریان متناوب (AC) جهت تنظیم فرکانس نیروی الکتریکی عرضه شده به موتور استفاده می شود.
درایو مدوله شده با عرض پالس (درایو PWM)، درایو با سرعت قابل تنظیم (ASD)، درایو با فرکانس قابل تنظیم (AFD)، درایو AC، درایو اینورتر [3]، یا درایو فرکانس متغیر ولتاژ متغیر (VVVF) نیز نامهای دیگر VFD  میباشند . اکثر VFD های مورد استفاده در برنامه های HVAC اینورتر هستند که از فناوری PWM کد سینوسی استفاده می کنند.
مانند
در شکل 1 نشان داده شده است، یک VFD با تبدیل برق AC ورودی به برق DC با استفاده از یکسو کننده پل دیودی، سپس عبور از فیلتر شده، صاف کردن ولتاژ بر روی بخش معکوس، و در نهایت کنترل ولتاژ و فرکانس ارسال شده به موتور با سرعت بالا کار می کند. ترانزیستورهای دوقطبی [4].

Figure 1. Schematic diagram of a variable frequency drive [4]

شکل 1. نمودار شماتیک یک درایو فرکانس متغیر [4] ولتاژ خروجی با تغییر عرض و تعداد پالس ولتاژ همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است تنظیم می شود، در حالی که فرکانس خروجی با تغییر طول چرخه تغییر می کند.

Figure 2. Sine-coded PWM waveform [4]
شکل 2. شکل موج PWM با کد سینوسی [4]

VFD می تواند مزایای زیر را ارائه دهد:
• قابلیت استارت نرم جریان هجومی را هنگام راه اندازی موتورها کاهش می دهد و در نتیجه کاهش می یابد
•فشار مکانیکی روی موتور و بهبود قابلیت اطمینان موتور.
• تنظیم بدون گام برای سرعت موتور به صورت الکتریکی.
• مصرف برق موتور را به میزان قابل توجهی با کنترل های مناسب کاهش می دهد.
• ضریب قدرت کل سیستم محرک شامل VFD و موتورها را بهبود می بخشد.
• عملکرد سیستم قابل اندازه گیری و نظارت است.
این مزایا باعث افزایش استفاده گسترده از VFD ها در انواع فرآیندهای صنعتی از جمله زمینه HVAC می شود.
اگرچه تجهیز VFD در یک سیستم جدید یا سیستم موجود، سرمایه گذاری اولیه را افزایش می دهد، کاهش هزینه VFD همراه با افزایش صرفه جویی در انرژی حاصل از VFD منجر به دوره بازپرداخت کوتاه می شود که معمولاً کمتر از سه سال است.

2.2. فن ها و پمپ های دور متغیر

فن ها و پمپ های دور متغیر،  از آنجایی که سرعت آنها با تغییر فرکانس تغذیه تغییر می کند، به این پمپ ها و فن ها، فن ها و پمپ های فرکانس متغیر نیز می گویند.
ویژگی عملکرد فن ها و پمپ های گریز از مرکز آنها را به گزینه های عالی برای کاربردهای VFD تبدیل می کند. طبق قوانین فن و  پمپ، فن یا قدرت پمپ با سرعت موتور رابطه مکعبی دارد. بنابراین، با کاهش سرعت موتور با کنترل های مناسب می توان به صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی دست یافت.
متغیرهای مربوط به عملکرد فن یا پمپ عبارتند از: قطر پروانه D، سرعت چرخش N، چگالی گاز/آب ρ، سرعت جریان حجمی Q، فشار P، توان W، و بازده مکانیکی η. در یک کاربرد معمولی، قطر فن یا پمپ ثابت است. جریان هوا یا جریان آب، فن یا سر پمپ و قدرت فقط به سرعت بستگی دارد.
این روابط با معادلات زیر [3] ارائه می شوند (که در آن معادلات (1) و (2) دو شرایط کاری را نشان می دهند):

New Applications of Electric Drives
معادله (3) به وضوح نشان می دهد که چگونه تغییر سرعت بر تغییر توان تأثیر می گذارد. مثلا، کاهش 50 درصدی سرعت باعث کاهش 87.5 درصدی توان از نظر تئوری می شود.

انواع مختلفی از سیستم های هوا و آب وجود دارد از جمله سیستم حجم هوای متغیر تک کانالی (SDVAV)، سیستم حجم هوای متغیر دو کاناله (DDVAV)، سیستم تک منطقه ای، سیستم چند منطقه ای، سیستم آب سرد اولیه و/یا ثانویه، و سیستم آب گرم هر نوع سیستم به جای یک عملیات ثابت با سرعت پایین بدون مدولاسیون، به استراتژی کنترل خاصی نیاز دارد.

2.3. کمپرسورهای سرعت متغیر

کمپرسورهای سرعت متغیر یا کمپرسورهای فرکانس متغیر کمپرسورهایی هستند که مجهز به VFD هستند. در صنعت HVAC، انواع مختلفی از کمپرسورهای مرتبط با سیستم های تبرید وجود دارد: رفت و برگشتی، پیچی، اسکرول و گریز از مرکز.
همه آنها اجزای قابل دوام برای یک برنامه VFD هستند.
سیال های کاری رایج شامل هوا و مبرد است.
کمپرسورهای هوا اغلب در فرآیندهای صنعتی به عنوان منبع تغذیه برای سیستم های کنترل پنوماتیک استفاده می شوند.
کمپرسورهای مبرد معمولاً در دستگاه‌های تهویه مطبوع، واحدهای هواساز واحد (AHU) یا چیلرها در ساختمان‌های مسکونی و تجاری استفاده می‌شوند.
پیشرفت های قابل توجهی در مطالعه نظری و کاربردهای کمپرسورهای سرعت متغیر در طول سی سال گذشته انجام شده است.
در اوایل سال 1982، Itami و همکاران. [5] یک مطالعه تجربی بر روی عملکرد و قابلیت اطمینان یک کمپرسور دوار و کمپرسور رفت و برگشتی همراه با اینورترهای فرکانس انجام داد. قریشی و تاسو [6] در سال 1996 مروری بر کاربرد کنترل ظرفیت سرعت متغیر در سیستم های تبرید ارائه کردند. در آن اشاره کرد که کاربردهای VFD روی کمپرسورها تا کنون تا حد زیادی به واحدهای تهویه مطبوع با ظرفیت کم محدود شده است، و تنها تعداد کمی از کاربردها برای واحدهای با ظرفیت متوسط است. هنوز کار تحقیقاتی بیشتری مورد نیاز بود. از آن زمان، مطالعات چشمگیری در مورد کاربرد درایوهای سرعت متغیر در سیستم های HVAC انجام شد [7-9].
برخلاف سایر انواع کمپرسورها، کمپرسورهای گریز از مرکز عملکرد انرژی مناسبی دارند.
کمپرسور اسکرول به دلیل داشتن سیستم گریز از مرکز و چرخشی برای VFD مناسب است
طراحی ساختاری ذاتی کمپرسورهای اسکرول و کمپرسورهای رفت و برگشتی تفاوت زیادی با هم دارند .
انواع رایج در واحدهای پشت بام (RTU) و واحدهای پمپ حرارتی (HPs) استفاده می شود.
امرسون و دانفوس، برای اکثر کمپرسورها  قبلاً VFD تولید کرده اند.

•• کمپرسورها

چندین سازنده بزرگ HVAC مانند Trane، Carrier، McQuay، Lennox، AAON، York و Emerson شروع به تجهیز کمپرسورهای سرعت متغیر کردند. rs در محصولات جدید خود مانند RTUs، HPs، واحدهای تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر (CRAC) یا چیلرها از اینورتر استفاده کرده است.

رابطه bic بین توان و فرکانس شکل 3 یک رابطه خطی تقریبی بین توان و فرکانس را برای یک RTU 5 تنی با کمپرسور اسکرول، بر اساس مطالعه تجربی نشان می‌دهد [10].
این رابطه به وضوح نشان می دهد که چگونه توان کمپرسور با فرکانس تغییر می کند.
همبستگی خطی برای توسعه یک مدل کمپرسور جدید و ساده‌تر نیز مفید است [11].

Figure 3. Relationship between compressor power and frequency for a 5-ton RTU

شکل 3. رابطه بین قدرت کمپرسور و فرکانس برای یک RTU 5 تنی.

3. برنامه های کاربردی VFD

3.1. سیستم های هوایی

3.1.1. سیستم حجم هوای متغیر تک منطقه ای (VAV).
سیستم VAV تک منطقه ای ساده ترین سیستم هوا است.
سیستم VAV عمدتاً شامل دمپرهای هوای بیرون و هوای برگشتی، فیلتر، کویل های گرمایش و سرمایش و یک فن تامین می شود. برخی از واحدها ممکن است دارای کویل پیش گرمایش، دمپر بای پس و فن برگشتی نیز باشند. شکل 4 یک تک منطقه معمولی را نشان می دهد
سیستم VAV

Figure 4. Typical single-zone VAV system
شکل 4. سیستم VAV تک منطقه ای معمولی
به طور معمول، یک واحد هواساز تک منطقه ای برای کنترل دمای تنها یک فضا کار می کند.
روش مرسوم ادغام شیر خنک کننده و گرمایش برای کنترل است.
نقطه تنظیم دمای سرمایش و گرمایش فضا  برای یک فن تغذیه مجهز به VFD، سرعت فن را می توان برای حفظ نقطه تنظیم دمای فضا مدوله کرد، در حالی که دریچه های کویل خنک کننده و گرمایش برای کنترل دمای هوای تغذیه (SAT) استفاده می شود.
از نسخه 2010 استاندارد ASHRAE 90.1 [12]، برخی الزامات برای کنترل سیستم VAV تک منطقه ای اضافه شد.
لازم است واحدهای تک منطقه ای AHU و فن کویل با کویل خنک کننده آب سرد و فن تغذیه با موتور بیشتر از 5 اسب بخار دارای فن های تغذیه ای باشند که توسط موتورهای دو سرعته یا VFD کنترل می شوند.
به طور مشابه، تمام واحدهای AHU و AC با کویل خنک کننده با انبساط مستقیم (DX) و ظرفیت ≥110000 Btu/h که به مناطق منفرد سرویس میدهند ، باید فن های تغذیه خود را توسط موتور دو سرعته یا VFD کنترل کنند. این الزامات اجباری است.
مطالعات موردی موفق زیادی در مورد کاربردهای VFD برای واحدهای تک منطقه ای در پروژه ها وجود دارد.
لی و همکاران [13] با نصب یک VFD بر روی هر یک از آنها، فناوری VFD را در دوازده سیستم تک منطقه ای اعمال کردند.
آنها نشان دادند که نصب VFD بر روی فن های منبع تغذیه در یک سری از واحدهای تک منطقه ای می تواند در مصرف انرژی بسیار بیشتری نسبت به کارکردن نیمی از واحدها با سرعت ثابت و خاموش کردن نیمه باقی مانده صرفه جویی کند.

3.1.2. سیستم VAV تک کاناله.

سیستم VAV تک کانالی محبوب ترین سیستم است که شامل یک AHU اصلی، کانال کشی و تعدادی جعبه ترمینال است. واحدهای هواساز از یک دمپر هوای بیرون و دمپر هوای برگشتی، فیلتر، کویل پیش گرمایش، کویل خنک کننده و وسایل ایمنی تشکیل شده است. شکل 5 یک سیستم SDVAV معمولی را نشان می دهد. در سیستم VAV تک کاناله، VFD ها بر روی فن تغذیه و فن برگشتی نصب می شوند. به طور معمول، سرعت فن منبع برای حفظ فشار استاتیک کانال در نقطه تنظیم آن مدوله می شود. با کاهش بار سیستم، سرعت VFD برای حفظ همان نقطه تنظیم کاهش می یابد. در همین حال، نقطه تنظیم لازم نیست در یک مقدار ثابت نگه داشته شود. با کاهش بار سیستم، جریان هوای کمتری برای تحویل به فضا مورد نیاز است. نقطه تنظیم فشار استاتیک می تواند برای برآورده کردن شرایط بازنشانی شود. این نقطه تنظیم را می توان بر اساس سرعت VFD یا جریان هوای عرضه شده فن تنظیم مجدد کرد [14].

Figure 5. Typical single-duct VAV
شکل 5. سیستم VAV یک مجرای معمولی.
برای فن برگشتی چندین روش کنترل وجود دارد: تعدیل سرعت فن برگشتی برای حفظ (الف) فشار استاتیک کانال برگشتی یا (ب) فشار دیفرانسیل ساختمان. با این حال، این کنترل ها به دلیل اندازه گیری فشار قابل اعتماد نیستند. یک روش کنترل جدید استفاده از روش ردیابی حجم برای حفظ اختلاف جریان هوا بین فن های عرضه و برگشت است.
3.1.3. سیستم HVAC دو کاناله.
یک سیستم حجم هوای متغیر دو کاناله (DDVAV) هوای سرد و گرم را به طور جداگانه کنترل می کند و آنها را از طریق کانال گرم و سرد منتقل می کند. هوای گرم و هوای سرد در جعبه ترمینال مخلوط شده و سپس به فضا عرضه می شود.
دو نوع سیستم DD وجود دارد: سیستم دو کاناله تک فن و سیستم دو کاناله دو فن. اولین مورد دارای یک فن تامین است که جریان هوا را به هر دو منطقه گرم و سرد می رساند. دومی یک فن اختصاصی در هر منطقه دارد.
منطقه سرد شامل یک کویل خنک کننده است، در حالی که منطقه گرم مجهز به کویل آب گرم یا بخار است. شکل 6 نمودار شماتیک یک سیستم تک فن DDVAV را نشان می دهد.

Figure 6. Single-fan DDVAV system schematic diagram
شکل 6. نمودار شماتیک سیستم DDVAV تک فن.

در سیستم VAV دو کاناله تک فن، یک VFD بر روی فن تغذیه نصب می شود. برای یک سیستم VAV دو کاناله دو فن با فن های جداگانه برای مطقه گرم و سرد، یک VFD روی هر فن نصب شده است. در صورتی که در این سیستم فن برگشتی نیز وجود داشته باشد، یک VFD نیز روی فن برگشتی تعبیه شده است.
به طور معمول، برای یک سیستم دو کاناله تک فن، فن منبع تغذیه برای حفظ فشار استاتیکی مطقه سرد مدوله می شود، در حالی که دمپر اصلی مطقه داغ برای حفظ نقطه تنظیم فشار استاتیک مطقه داغ مدوله می شود. برای یک سیستم دو کاناله دو فن، سرعت هر فن منبع تغذیه برای حفظ نقطه تنظیم فشار استاتیک خود مدوله می شود. به طور مشابه، با سیستم VAV تک کانالی، سرعت فن برگشتی برای حفظ اختلاف جریان هوا بین فن های عرضه و برگشت تعدیل می شود.

صرفه جویی در انرژی یک سیستم VAV دو کاناله اغلب از کنترل سرعت فن و تنظیم مجدد دمای هوای تامین کانال حاصل می شود. لیو و کلاریج [15] مدل‌هایی را برای حداکثر صرفه‌جویی انرژی بالقوه با بهینه‌سازی برنامه‌های تنظیم مجدد مطقه گرم و سرد ارائه کردند، که در آن می‌توان 75 درصد صرفه‌جویی بالقوه را انتظار داشت.

3.1.4. سیستم چند منطقه ای

یک سیستم چند ناحیه ای به چندین ناحیه خدمت می کند که هر منطقه نیاز حرارتی خود را دارد.
مانند یک سیستم دو کاناله، یک سیستم چند منطقه ای دارای مطقه های سرد و گرم است. با این حال، تفاوت این است که هوای سرد و هوای گرم در خروجی واحد هواساز قبل از تحویل به فضا مخلوط می‌شوند، در حالی که در سیستم دو کاناله، هوای گرم و سرد در جعبه‌های ترمینال مخلوط می‌شوند.
شکل 7 نمودار شماتیک یک سیستم چند منطقه ای معمولی را نشان می دهد که در آن یک VFD در جعبه های ترمینال نصب شده است.

Figure 7. Multi-zone VAV system (three zones)

شکل 7. سیستم VAV چند منطقه ای (سه ناحیه).
در یک سیستم چند منطقه ای، سرعت فن منبع برای حفظ فشار استاتیک هوای تخلیه یا دما در بدترین منطقه در نقطه تنظیم آن تعدیل می شود. دمپر منطقه برای حفظ نقطه تنظیم دمای هر منطقه مدوله شده است.

3.1.5. سیستم هوای خروجی.

یک سیستم هوای خروجی اغلب با یک واحد هواگیر، واحد آرایش یا واحد هوای تازه همراه است. یک سیستم هوای خروجی برای چندین نوع تأسیسات، مانند آشپزخانه، کافه تریا، و آزمایشگاه در بیمارستان قابل استفاده است. آنها به هوای تازه کافی و هوای خروجی مرتبط نیاز دارند. جریان هوای خروجی مناسب باید برای برآوردن نیاز فشار ساختمان یا فضا فراهم شود. از آنجایی که جریان هوای تحویل شده توسط واحد هندلینگ هوا متغیر است، جریان هوای خروجی نیز بر این اساس قابل تنظیم است. شکل 8 یک سیستم هوای خروجی را نشان می دهد که در آن یک VFD روی فن اگزوز نصب شده است.در این سیستم هوای خروجی، VFD برای حفظ نقطه تنظیم فشار هوای مکش یا جریان هوای تفاضلی بین هوای خروجی و خروجی برای حفظ فشار مورد نیاز ساختمان مدوله شده است.

Figure 8. Exhaust air system
شکل 8. سیستم هوای خروجی.
3.2. سیستم های آب عمده ترین سیستم های آب در سیستم HVAC شامل سیستم آب سرد، آب کندانسور می باشد.
سیستم آب سرد و سیستم آب گرم هر سیستم دارای پمپ های اختصاصی است که آب را از طریق یک حلقه بسته یا باز به گردش در می آورد. VFD ها را می توان روی این سیستم ها نصب کرد که می تواند مصرف انرژی پمپ را در شرایط بار جزئی کاهش دهد.

3.2.1. سیستم آب سرد و سیستم آب کندانسور

سیستم آب سرد و سیستم آب کندانسور دو سیستم مستقل در کارخانه چیلر هستند.
شکل 9 یک کارخانه چیلر معمولی را نشان می دهد که از این دو حلقه تشکیل شده است. یک سیستم آب سرد شامل یک یا چند چیلر، پمپ آب سرد و کویل خنک کننده است. کویل های خنک کننده معمولا در AHU ها یا واحدهای فن کویل قرار دارند. دو نوع سیستم پمپاژ وجود دارد: سیستم فقط اولیه و سیستم اولیه – ثانویه. در یک سیستم فقط اولیه، پمپ آب سرد، آب سرد را از طریق اواپراتور چیلرها و کویل های خنک کننده به گردش در می آورد. در یک سیستم اولیه-ثانویه، دو حلقه وجود دارد. پمپ های اولیه فقط آب سرد را از طریق چیلر به گردش در می آورند، در حالی که پمپ های ثانویه آب سرد را در ساختمان ها به گردش در می آورند. معمولاً یک لوله بای پس وجود دارد که حلقه های آب اولیه و ثانویه را به هم متصل می کند.
بسیاری از تحقیقات و مطالعات موردی در مورد کارایی، قابلیت اطمینان و بهینه‌سازی سیستم‌های آب سرد اولیه-ثانویه یا اولیه انجام شد [16-18]. هنگامی که VFD ها بر روی پمپ های آب سرد نصب می شوند، نحوه کارکرد پمپ ها در حداکثر نقطه بازده برای پمپ های تک یا چندگانه یکی از موضوعات مورد مطالعه است.
در یک سیستم آب سرد، همانطور که در شکل 9 مشاهده می شود، بار خنک کننده هر کویل در مناطق و زمان های مختلف متفاوت است و جریان آب سرد مورد نیاز را متغیر می کند. پمپ های اولیه به گونه ای مدوله می شوند که فشار دیفرانسیل حلقه را حفظ کنند و به طور همزمان حداقل نیاز جریان آب را برای چیلرها حفظ کنند. سرعت پمپ ثانویه برابر با سرعت پمپ اولیه است.
با کاهش بار خنک کننده ساختمان، جریان آب سرد مورد نیاز کاهش می یابد. کاهش جریان پمپ باعث صرفه جویی زیادی در مصرف برق می شود.

در سیستم آب چگالشی، پمپ آب چگالشی، آب چگالشی را از طریق کندانسور چیلرها و برج خنک کننده به گردش در می آورد. هنگامی که یک VFD بر روی پمپ آب متراکم نصب می شود، سرعت پمپ برای حفظ فشار دیفرانسیل حلقه (ΔP) یا اختلاف دما (ΔT) تنظیم می شود.

Figure 9. Chilled water and condenser water system
شکل 9. سیستم آب سرد و کندانسور.
علاوه بر این، VFD ها را می توان بر روی فن های برج خنک کننده نصب کرد. سرعت فن برای حفظ دمای خروجی آب متراکم از برج خنک کننده بهینه شده است.
3.2.2. سیستم آب گرم.

سیستم آب گرم، آب گرم را از دیگ‌ها یا مبدل‌های حرارتی به کویل‌های گرمایش واحدهای هواساز یا جعبه‌های ترمینال داخل ساختمان می‌رساند. در عملکرد سنتی، پمپ های آب با سرعت کامل کار می کنند. دریچه های گرمایش در کاربران نهایی به گونه ای مدوله شده اند که نقطه تنظیم دمای هوای کناری را کنترل کنند. شکل 10 یک سیستم آب گرم با VFD نصب شده بر روی پمپ های اولیه و ثانویه را نشان می دهد. پس از نصب VFD ها، سرعت پمپ ثانویه اغلب برای حفظ اختلاف دمای تغذیه و برگشت یا فشار دیفرانسیل حلقه مدوله می شود. سرعت پمپ اولیه می تواند سرعت پمپ ثانویه را دنبال کند و باید به اندازه کافی بالا باشد تا از عبور آب کافی از بویلرها اطمینان حاصل شود.

Figure 10. Hot water system

شکل 10. سیستم آب گرم.

3.3. کمپرسورهای هوا

هوای فشرده کاربردهای زیادی در فرآیند تولید دارد. در صنعت تهویه مطبوع، کمپرسورهای هوا را می توان برای تولید هوای تحت فشار برای به حرکت درآوردن محرک های پنوماتیک برای دمپرها و سوپاپ ها در واحدهای هواساز استفاده کرد. هوای فشرده در یک محیط تحت فشار ذخیره می شود.
مخزن، که به عنوان منبع هوا برای کاربران نهایی عمل می کند. به طور سنتی، فشار مخزن با کنترل خاموش و روشن یک یا چند کمپرسور هوا حفظ می شود. شکل 11 یک نمودار شماتیک از یک سیستم کمپرسور هوا با یک VFD نصب شده بر روی هر کمپرسور را نشان می دهد.
به طور معمول، کنترل مرحله ای برای حفظ فشار هوای فشرده استفاده می شود. هنگامی که کاربران نهایی به هوای فشرده کمتری نیاز دارند و فشار هوای فشرده بالاتر از نقطه تنظیم شده باشد، کمپرسور خاموش می شود. برعکس، زمانی که کاربر نهایی از هوای فشرده بیشتری استفاده می کند و فشار هوای فشرده به زیر نقطه تنظیم کاهش می یابد، یک کمپرسور دیگر شروع به کار می کند. این کنترل ناکارآمد باعث توقف مکرر کمپرسور می شود که قطعاً طول عمر کمپرسور را کوتاه می کند. اما در صورت نصب VFD، ساییدگی کمپرسورها کمتر شده و طول عمر آن ها افزایش می یابد. علاوه بر این، قدرت کمپرسور کاهش می یابد.

Figure 11. Air compressor system
شکل 11. سیستم کمپرسور هوا.

3.4. سیستم های تبرید.

سیستم های تبرید نیز کاندیدهای خوبی برای کاربردهای VFD هستند. کمپرسور دستگاه اصلی است که VFD در یک حلقه تبرید نصب می شود. کاربردهای معمولی عبارتند از RTU، HP، واحدهای CRAC و چیلرها.

3.4.1. واحدهای پشت بام
واحد پشت بام یکی از انواع هواگیرهای واحد است که برای استفاده در فضای باز، معمولاً روی پشت بام طراحی شده است.
دو نوع پیکربندی وجود دارد: واحد بسته بندی شده و واحد تقسیم شده. یک واحد بسته بندی شده معمولی روی پشت بام دارای یک سیستم تبرید است که هوای خنک را به فضا می رساند. بنابراین به آن واحد انبساط مستقیم (DX) نیز می گویند. در همین حال، اکثر RTU ها گرمایش فضا را با استفاده از بخاری گازی یا بخاری برقی فراهم می کنند.
در یک RTU، فن منبع (یا فن داخلی) و کمپرسورها معمولاً با سرعت ثابت کار می کنند. در شرایط بار جزئی، قدرت فن و کمپرسور بیش از حد به دلیل عملیات سرعت ثابت مصرف می شود.
با نصب VFD بر روی فن و (یا) کمپرسورها، می توان در مصرف برق قابل توجهی صرفه جویی کرد. علاوه بر این، کمپرسورها بیشترین بخش مصرف برق را در یک RTU به خود اختصاص می دهند. با کاهش سرعت کمپرسور، هم تقاضا و هم مصرف انرژی تا حد زیادی کاهش می یابد.

Figure 12. Single-stage DX rooftop unit
شکل 12. واحد پشت بام تک مرحله ای DX.
شکل 12 یک RTU معمولی تک مرحله ای است. فن منبع هوا را از طریق اواپراتور و بخاری به گردش در می آورد. به طور سنتی، فن منبع تغذیه و کمپرسور با سرعت ثابت کار می کنند. در ابتدا، VFD روی فن منبع تغذیه برای تعدیل سرعت فن و حفظ نقطه تنظیم دمای فضا استفاده می شود. این نوع RTU را می توان RTU ظرفیت متغیر نامید. بعداً از VFD روی کمپرسور نیز استفاده می شود. هر دو سرعت فن و کمپرسور را می توان برای کنترل دمای فضا مدوله کرد.

3.4.2. واحدهای پمپ حرارتی

واحدهای پمپ حرارتی بسیار شبیه به RTU ها هستند زیرا هر دو سیستم از سیستم تبرید استفاده می کنند.
با این حال، واحدهای پمپ حرارتی می توانند از سیستم تبرید برای تولید گرما به عنوان مرحله اول استفاده کنند.
در شرایط آب و هوایی سردتر، گرمای کمکی روشن می شود تا ظرفیت گرمایش اضافی را فراهم کند.
VFD را می توان بر روی واحدهای پمپ حرارتی نیز نصب کرد. نمودار شماتیک بسیار شبیه به RTU همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است.

3.4.3. واحدهای تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر.

واحد CRAC یکی از انواع واحدهای هواساز است که برای اتاق های کامپیوتر یا مراکز داده استفاده می شود. CRAC واحدها اغلب در داخل مرکز داده قرار دارند و خنک کننده را برای سرورها فراهم می کنند.  معمولا واحد CRAC شامل کویل(های) انبساط مستقیم، کمپرسورها، فن(های) منبع تغذیه، بخاری(ها) و مرطوب کننده (ها) میباشند . در CRAC سنتی فن ها و کمپرسورها را با سرعت ثابتی کار می کند که در شرایط بار جزئی، فن و قدرت کمپرسور اضافی مصرف می کند. استفاده از VFD واحد CRAC را به واحد CRAC با ظرفیت متغیر تبدیل می کند. VFD را می توان فقط روی فن منبع تغذیه یا هر دو فن منبع تغذیه و کمپرسور نصب کرد. سرعت فن منبع تغذیه و کمپرسور برای حفظ نقطه تنظیم دمای فضا مدوله شده است.
یک مرکز داده اغلب یک نوع ساختمان تحت سلطه سرمایش است. با کاهش سرعت فن و کمپرسور، مقدار زیادی در قدرت فن و کمپرسور صرفه جویی می شود.

3.4.4. چیلرها

راه های مختلفی برای تنظیم ظرفیت خنک کننده سیستم وجود دارد.

(1) کنترل روشن و خاموش: این ساده ترین راه برای کنترل ظرفیت است، اما می تواند باعث چرخه کوتاه مکرر کمپرسورها شود که برای عملکرد کمپرسور مضر است.

(2) کنترل تخلیه: این اغلب برای کمپرسورهای رفت و برگشتی با سیلندرهای متعدد استفاده می شود.

(3) کنترل شیر کشویی: این اغلب برای یک کمپرسور پیچی استفاده می شود که می تواند ظرفیت کمپرسور را با طیف گسترده ای تنظیم کند.

(4) بای پس گاز داغ: این روش کارآمدی نیست زیرا از مخلوط مبرد سرد و گرم استفاده می شود.

(5) کمپرسور دیجیتال: این کمپرسور توسط امرسون برای کمپرسورهای اسکرول ساخته شده است. ظرفیت خنک کننده می تواند از 10٪ تا 100٪ متغیر باشد.

(6) کمپرسور با سرعت متغیر: این یک مدولاسیون ظرفیت سیستم صاف با طیف وسیعی را فراهم می کند و از نظر انرژی کارآمدتر است. برخی از تولیدکنندگان چیلر قبلاً چیلرهایی با کمپرسورهای اسکرول سرعت متغیر یا کمپرسورهای پیچی با سرعت متغیر تولید می کردند. برای یک کمپرسور مجهز به VFD، سرعت کمپرسور اغلب برای حفظ نقطه تنظیم دمای آب یا هوای تامین تعدیل می‌شود.

4. کاربرد VFD در تشخیص و تشخیص عیب.

بسیاری از محققان تشخیص و تشخیص عیب (FDD) در سیستم های HVAC را مطالعه کرده اند. تکنیک FDD روشی موثر برای بهبود قابلیت اطمینان سیستم های HVAC و کاهش هزینه های نگهداری است. روش‌ها و استراتژی‌های مختلفی در سطح تجهیزات و سطح سیستم FDD وجود دارد، از جمله AHUs، RTU و غیره [19-21]. تقریباً همه روش ها به اندازه گیری های عملیات سیستم مانند دما، رطوبت، فشار، جریان هوا و جریان آب متکی هستند.
اگرچه VFD ها به طور گسترده در فن ها، پمپ ها و کمپرسورها در سیستم های HVAC استفاده می شوند، اکثر این کاربردها بر روی نحوه استفاده از VFD برای کنترل سرعت موتور متمرکز هستند. با این حال، VFD می تواند چندین پارامتر مفید مرتبط با الکتریکی را اندازه گیری کند، که می تواند برای نظارت بر سیستم و اهداف FDD مورد استفاده قرار گیرد.
یک VFD معمولی می تواند خروجی سرعت/فرکانس، جریان، توان، گشتاور و بسیاری از پارامترهای دیگر را اندازه گیری و ارائه دهد. این سیگنال های الکتریکی روابط ذاتی با عملکرد سیستم دارند. به عنوان مثال، لی و همکاران. [10] چندین علامت خطا را برای یک واحد پشت بام تک مرحله‌ای DX با استفاده از اندازه‌گیری قدرت فن، توان کمپرسور، و اندازه‌گیری دمای هوای تامین از طریق یک مطالعه تجربی ایجاد کرد. با این پارامترهای شناخته شده، قطعات و عیوب سیستم را می توان از قبل شناسایی کرد. این سیگنال ها را می توان از طریق سیگنال های خروجی آنالوگ یا سیگنال های ارتباطی دیجیتال (Modbus، N2، FLN، BACNet و غیره) به یک کنترل کننده خارجی یا یک سیستم BAS ارسال کرد.
شکل های 13 و 14 دو پیکربندی اتصال بین VFD ها و واحد کنترلر/BAS را نشان می دهند. در شکل 13، VFD سرعت چندین موتور مانند موتور فن، موتور پمپ یا کمپرسور را کنترل می کند. کنترلر بر عملکرد موتورها نظارت می کند و اطلاعات عملکرد موتور (مانند سرعت، جریان، قدرت و گشتاور) را از طریق ارتباطات دیجیتال دریافت می کند. کنترل کننده ها از این اطلاعات و سایر خوانش های اندازه گیری سیستم (مانند دما) برای انجام تجزیه و تحلیل FDD استفاده می کنند.همچنین بسیار متداول است که هر VFD فقط یک موتور را کنترل می کند، همانطور که در شکل 14 نشان داده شده است. کنترل کننده با هر VFD ارتباط برقرار می کند و تجزیه و تحلیل FDD را بر اساس عملکرد همه موتورها انجام می دهد.

Figure 14. Configuration B showing the connection between the VFD and controller

یک مثال استفاده از VFD در FDD در RTU های بسته بندی شده است. عیوب رایج یک RTU شامل رسوب کویل اواپراتور، مسدود شدن فیلتر، گرفتگی کویل کندانسور، نشت مبرد و شارژ نامناسب است. روش‌های رایج برای تشخیص این خطاها استفاده از اندازه‌گیری چند نقطه دما و فشار و مقایسه قرائت‌های واقعی با خوانش‌های حالت عادی است. در واقع، سیگنال های الکتریکی می توانند تغییر عملکرد سیستم را منعکس کنند. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که سیگنال‌های الکتریکی، مانند سرعت (فرکانس) و توان VFD، همراه با سایر پارامترهای دما، می‌توانند برای شناسایی این خطاهای رایج بر اساس مطالعات تجربی استفاده شوند [10].
شکل 14. پیکربندی B که ارتباط بین VFD و کنترلر را نشان می دهد.
برای بدست آوردن فرکانس (سرعت) و کیلووات برای هر دو فن و کمپرسور، هر دو باید مجهز به VFD باشند، با استفاده از VFD برای کنترل هر دو سرعت یا استفاده از VFD اختصاصی برای فن و کمپرسور. برای نظارت بر عملکرد RTU، علاوه بر VFD، یک سنسور دمای هوای بیرونی (OAT) و یک سنسور دمای هوای تامین (SAT) در واحد نصب شده است. سرعت و قدرت VFD توسط خود VFD ارائه می شود و از طریق ارتباط Modbus به یک کنترل کننده خارجی یا BAS ارسال می شود. پارامترهای سیستم اندازه گیری شده، مانند سرعت VFD، توان VFD، OAT و SAT برای انجام FDD روی RTU موجود استفاده می شود.

5. ملاحظات کاربردی.

5.1. حداقل سرعت VFD

برای همه برنامه های VFD، حداکثر سرعت یا فرکانس تنظیم نسبتا آسان است. در ایالات متحده، حداکثر سرعت معمولاً 60 هرتز است. در برخی موارد از سرعت بالاتری استفاده می شود که معمول نیست و توصیه نمی شود [22]. در مقابل، تنظیم حداقل سرعت نیاز به ملاحظات بیشتری دارد زیرا تأثیر بالقوه ای بر مصرف انرژی ساختمان و عملکرد موتور دارد.
اول اینکه خود موتور محدودیت هایی دارد. سازندگان VFD اغلب حداقل سرعت 30 درصد سرعت نامی خود (18 هرتز) را برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد موتور به دلیل جریان هوا ناکافی توصیه می کنند [23]. یک موتور  می تواند حداقل تنظیم کمتری به عنوان 20٪ (12 هرتز) داشته باشد. با این حال، ملاحظات بیشتری برای اطمینان از عملیات موثر مورد نیاز است.

برای فن ها و پمپ ها، حداقل سرعت می تواند تا 6 هرتز کم باشد بدون اینکه مشکل گرمای بیش از حد موتور و سایر اشکالات مکانیکی ایجاد کند [18]. در همین حال، فاکتورهای عملیاتی نیز باید در نظر گرفته شوند، مانند الزامات کیفیت هوای داخلی (IAQ) و الزامات توزیع هوا. اگر سرعت فن خیلی کم باشد، با همان موقعیت دمپر هوای بیرون، هوای تازه کمتری به فضا منتقل می شود. بنابراین، یک محاسبات مهندسی مناسب مورد نیاز است. علاوه بر این، حالت عملیاتی محدودیت هایی در حداقل سرعت ایجاد می کند. برای یک واحد تک منطقه ای که در حالت خنک کننده کار می کند، سرعت کم می تواند باعث سرعت بسیار کم در خروجی کانال شود که ممکن است منجر به ریختن هوای سرد مستقیماً بدون مخلوط خوب به فضا شود. در حالت گرمایش، سرعت بسیار پایین ممکن است به دلیل اثر شناوری باعث شود که هوای گرم در سطح بالایی فضا راکد شود. بنابراین، حداقل سرعت واقعی فن ممکن است 20 هرتز یا بیشتر باشد. در کاربردهای پمپ آب سرد، سرعت پمپ اولیه باید به اندازه کافی بالا باشد تا آب سرد کافی را از طریق چیلرها تامین کند. در غیر این صورت، هشدار جریان کم آب می تواند عملکرد چیلرها را مختل کند.

برای کمپرسورها، حداقل سرعت آنها باید بر اساس بازگشت روغن و همچنین الزامات ساختاری و ایمنی تعیین شود. به عنوان مثال، سازنده حداقل سرعت VFD را برای کمپرسورهای دیسک 25 هرتز و برای کمپرسورهای اسکرول 45 هرتز توصیه کرد [24].
اکثر کمپرسورها در سرعت های معین مشکل تشدید ارتعاش دارند. این را می توان با برنامه ریزی VFD برای رد شدن از این محدوده یا با تنظیم یک حداقل سرعت بالاتر برای دور زدن این محدوده حل کرد.

5.2. تداخل ها

اکثر VFD ها از مدولاسیون عرض پالس برای کنترل سرعت موتور استفاده می کنند.
چندین توصیه برای به حداقل رساندن تداخل VFD ها وجود دارد [25].
• طول کابل بین VFD و موتور را به حداقل برسانید. هر چه کابل طولانی تر باشد، پتانسیل ولتاژ برگشتی بیشتر می شود. کاربران باید الزامات سازنده را برای نصب کابل برق رعایت کنند. به طور کلی، طول کابل نباید بیشتر از 200 فوت باشد.
• از کمترین فرکانس حامل VFD استفاده کنید زیرا بر حداکثر طول کابل مجاز تأثیر می گذارد. هرچه فرکانس کمتر باشد، حداکثر طول کابل ممکن بین VFD و موتورها بیشتر می شود.
• از کابل برق زره پوش استفاده کنید. زره بیرونی فلزی برای کابل برق توصیه می شود تا از اجزای سیستم در برابر میدان های الکتریکی با فرکانس بالا محافظت کند. باید از مس یا آلومینیوم استفاده شود زیرا فولاد محافظ موثری در فرکانس های بالا ایجاد نمی کند.

• از کانال های فلزی جداگانه برای برق ورودی، توان خروجی، سیم های کنترل و سیم های ارتباطی استفاده کنید [26].
• از ترانسفورماتورهای ایزوله برای برق VFD استفاده کنید. به این ترتیب از ترانسفورماتورهای اختصاصی و ارت  های جداگانه برای VFD و سیستم کنترل استفاده می شود. این سیستم زمین می تواند مسیری برای حذف سیگنال های ناخواسته ایجاد کند.
• از سایر اجزای سرکوب کننده نویز ، مانند فیلترهای برق ورودی، فیلترهای قدرت خروجی، و چوک های حالت معمول استفاده کنید. این قطعات می توانند به سرکوب نویز الکتریکی در کاربردهای VFD کمک کنند.
• موتورهای دارای رتبه اینورتر مطابق با کنترل را انتخاب کنید. این موتورها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در هنگام کنترل توسط VFD در برابر شوک اضافه مقاومت کنند.

6. خلاصه

VFD یک دستگاه الکتریکی عالی برای کنترل سرعت موتور در محدوده کاری مجاز است. کاربردهای VFD در سیستم‌های HVAC به تفصیل از دیدگاه کنترل ارائه شده‌اند. سپس اپلیکیشن روی FDD از نقطه نظر اندازه گیری معرفی می شود.
در نهایت موارد موجود خلاصه شده و پیشنهاداتی ارائه شده است. به طور کلی، VFD ها نقش زیادی در عملکرد بهینه سیستم های انرژی ساختمان دارند. افزایش کارایی و قابلیت اطمینان همراه با کاهش هزینه باعث شده است که آنها بیشتر و بیشتر در صنعت HVAC مورد پذیرش و استفاده قرار گیرند. این برنامه ها به صرفه جویی انرژی فوق العاده ای از موتورها دست خواهند یافت.

کاربردهای درایو فرکانس متغیر در سیستم های HVAC و انواع آن در ساختمان

کاربردهای درایو فرکانس متغیر در سیستم های HVAC و انواع آن در ساختمان

کاربردهای درایو فرکانس متغیر در سیستم های HVAC